Trasmissione digitale
Autunno 2004
4
TEORIA (Lez. 1)
Telecomunicazioni: ultimamente si sta
orientando verso la trasmissione digitale
Tecnologia digitale ha fatto grossi progressi mentre
quella analogica no
Integrità dei dati: con l’uso di ripetitori al posto di
Prof. Roberto De Prisco
Autunno 2004
TEORIA - Lezione 2
Codifica dati, interfacce
Università degli studi di Salerno
Laurea e Diploma in Informatica
Codifica
amplificatori, gli effetti del rumore non sono più
cumulativi
Utilizzo delle risorse: disponibili larghezze di banda
molto grandi (satelliti, fibre ottiche). Occorre un
alto gradi di multiplexing, che è più facile con i dati
digitali
Sicurezza: i dati numerici possono essere
crittografati
Integrazione: rappresentando tutto in digitale
(voce, video, dati) è più facile integrare il tutto
Autunno 2004
Codifica: 4 possibili casi
2
TEORIA (Lez. 1)
Dati: analogici, digitali
Canale (segnale): analogico, digitale
1. Dati digitali (numerici), canale digitale
Codifica è una “trasformazione” dei dati in un
2. Dati analogici, canale digitale
0101
formato che può essere trasmesso
Dati=digitali, canale=analogico
Dati=analogici, canale=digitale
0101
Dati=analogici, canale=analogico
Canale non utilizza le stesse frequenze dei dati
Rappresentazione degli 0,1 diverse
Autunno 2004
Anche se le nuove tecnologie rimpiazzeranno i doppini
telefonici, prima di avere fibre ottiche in tutte le case
passerà un pò di tempo
Radio
TV (non satellitare)
[DA]
Modulatore
Demodulatore 0101
Modulatore
Diffusissima
Linee telefoniche, modem
[AD]
Decodificatore
4. Dati analogici, canale analogico
Dati=digitali, canale=digitale
Trasmissione analogica
[DD]
3. Dati digitali, canale analogico
Ma anche
5
TEORIA (Lez. 1)
Decodificatore 0101
Codificatore
Perchè serve?
Codificatore
Autunno 2004
[AA]
Demodulatore
Autunno 2004
[DD] Dati digitali e segnali digitali
3
TEORIA (Lez. 1)
0101 Codificatore
Canale
6
TEORIA (Lez. 1)
Decodificatore 0101
Dati numerici
bit
Segnale numerico
Tuttavia …
Sequenza di impulsi discreti e discontinui
Ogni impulso è un elemento del segnale
Codifica semplice
Corrispondenza 1:1 fra i bit e gli elementi del
segnale
Bit 1 rappresentato da un livello alto di tensione
Bit 0 rappresentato da un livello basso di tensione
1
[DD] Velocità
Autunno 2004
Autunno 2004
10
[DD] Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
TEORIA (Lez. 1)
7
TEORIA (Lez. 1)
Due diversi livelli di voltaggio
Tasso di trasmissione
Voltaggio costante durante l'intero intervallo di
Numero di bit al secondo (bps) che si riesce a
trasmissione del bit
trasmettere
Es. voltaggio positivo denota un 0 e voltaggio
negativo denota un 1
Elemento del segnale
Tra un intervallo e il successivo il segnale non ritorna
Impulso di tensione
È l’elemento minimo del segnale
a livello 0
Tasso di modulazione
0
Numero di elementi di segnale al secondo (baud)
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
Se un bit è codificato con n elementi di segnale
allora
tasso di trasmissione = tasso di modulazione / n
[DD] Aspetti della codifica
Autunno 2004
Autunno 2004
Dati codificati con presenza o assenza di
Sincronizzazione
transizione del segnale all'inizio
dell'intervallo del bit
Il decodificatore deve ritrasformare il segnale
11
[DD] Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
TEORIA (Lez. 1)
8
TEORIA (Lez. 1)
digitale in bit
Deve essere sincronizzato sulla durata di ogni
singolo bit
una transizione denota un 1
nessuna transizione denota uno 0
Rilevazione di errori
La codifica permette la rilevazione di errori
0
Resistenza al rumore
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
Alcuni codici si comportano meglio di altri in
presenza di rumore
Costo e complessità
[DD] Schemi di codifica
Autunno 2004
Autunno 2004
[DD] Vantaggi e svantaggi di NRZ
9
TEORIA (Lez. 1)
12
TEORIA (Lez. 1)
Vantaggi
Codifiche
Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)
Nonreturn to Zero Inverted (NRZI)
Bipolar –AMI
Pseudoternary
Manchester
Differential Manchester
Tecniche di scrambling
B8ZS
HDB3
Facili da usare
Sfruttano tutta la larghezza di banda
NRZI vs NRZ-L
Se accidentalmente viene invertito il connettore NRZ-L
inverte tutti i bit NRZI continua a funzionare
Svantaggi
Sincronizzazione difficile
Una lunga sequenza di 0 o 1 in NRZ-L o di 0 in NRZI
risulta in una tensione costante per lungo tempo; è facile
che il trasmettitore ed il ricevitore perdano la
sincronizzazione
Generano componente continua
Vengono spesso usati per la registrazione su
supporto magnetico non per la trasmissione
2
Autunno 2004
[DD] Codici multilivello Bipolar-AMI
[DD] Codici bifase
13
TEORIA (Lez. 1)
Utilizzano più di due livelli di segnale
livello 0 rappresenta uno 0
livello positivo o negativo rappresenta un 1
polarità utilizzata alternativamente
1
0
0
1
1
0
0
0
1
16
TEORIA (Lez. 1)
almeno una transizione di
Bipolar-AMI (Alternate Mark Inversion)
0
Autunno 2004
1
segnale per ogni intervallo
di bit
a volte due transizioni
migliori proprietà di
sincronizzazione
l'assenza della transizione
individua un errore di
trasmissione
il massimo tasso di
modulazione è doppio di
quello di NRZ
richiede più larghezza di
banda
Autunno 2004
14
[DD] Codici multilivello Pseudoternary
TEORIA (Lez. 1)
[DD] Codici Manchester
di bit
invertito rispetto a bipolar-AMI
transizione dal basso verso l'alto codifica un 1
transizione dall'alto verso il basso codifica
Bit 1 rappresentato con assenza di corrente
Bit 0 con segnale positivo e negativo alternato
uno 0
Equivalente alla precedente
1
0
0
1
1
0
0
0
1
[DD] Codici multilivello
1
0
1
0
0
Autunno 2004
Vantaggi
nessuna componente continua
bisogna evitare lunghe sequenze di 0 (scrambling,
inserimento forzato di 1)
semplifica l'individuazione di errori di trasmissione
se l'alternanza delle polarità non è rispettata
consente sincronizzazione per sequenze di 1
Per sequenze di 0, scrambling
Svantaggi
non sono efficienti come NRZ
17
TEORIA (Lez. 1)
Una transizione al centro di ogni intervallo
Pseudoternary
0
Autunno 2004
1
1
0
0
0
1
1
Autunno 2004
[DD] Manchester differenziale
15
TEORIA (Lez. 1)
18
TEORIA (Lez. 1)
Una transizione all'inizio ed al centro di ogni
intervallo di bit
transizione centrale solo per sincronizzazione
transizione iniziale codifica l'informazione
presenza di una transizione iniziale codifica uno 0
assenza di una transizione iniziale codifica un 1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
1
ogni elemento di segnale rappresenta un bit
Con un segnale a tre livelli si potrebbero rappresentare
log23 = 1.58 bits
3
[DD] Vantaggi codici bifase
Autunno 2004
Autunno 2004
[DD] Tecniche di scrambling
19
TEORIA (Lez. 1)
22
TEORIA (Lez. 1)
Sincronizzazione
La presenza di una transazione all’interno di ogni
B8ZS
bit rende facile la sincronizzazione
bipolare con sostituzione dell'ottavo 0
usato negli USA e in Canada
Assenza di componente continua
Poiché c’è almeno una transazione per bit la
corrente è sempre alternata
HDB3
bipolare ad alta densità con 3 zeri
usato in Europa e Giappone
Rilevazione di errore
L’assenza di una transazione all’interno di un bit
indica un errore
Autunno 2004
[DD] Riepilogo codici
0
1
0
0
1
1
0
0
[DD] Codice B8ZS
20
TEORIA (Lez. 1)
0
1
1
Autunno 2004
23
TEORIA (Lez. 1)
Basato su bipolar-AMI
NRZ-I
Sostituisce 8 zeri consecutivi con la
sequenza
NRZL
000VB0VB
AMI
se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi)
era positivo codifica gli otto zeri con
Pseudo
ternary
000+-0-+
se l'ultimo segnale (prima di otto zeri consecutivi
Manchester
era negativo) codifica gli otto zeri con
000-+0+-
Manchester
Diff.
[DD] Scrambling
Autunno 2004
[DD] Codice B8ZS
21
TEORIA (Lez. 1)
tecniche utilizzate per eliminare le sequenze
di bit codificate con livelli di segnale costante
sostituisce le sequenze con altre sequenze
necessarie perchè per ottenere alti tassi di
trasmissione non si possono utilizzare codifiche
bifase
La sequenza introdotta deve
avere abbastanza transizioni di segnale
essere riconoscibile dal ricevitore che la deve
Autunno 2004
24
TEORIA (Lez. 1)
Violano il codice bipolar-AMI
Due impulsi nello stesso verso consecutivi
Non si possono confondere con codifiche di dati
Improbabile che le violazioni siano provocate da
rumore
Il ricevitore individua la sequenza con violazioni
e la decodifica come otto zeri
sostituire con la sequenza originale
avere la stessa lunghezza della sequenza originale
4
[DD] Codice HDB3
Autunno 2004
Autunno 2004
25
TEORIA (Lez. 1)
Basato su bipolar-AMI
oppure
28
TEORIA (Lez. 1)
La codifica è effettuata modulando un segnale
analogico base (portante)
alla portante viene sommato un secondo segnale che
Sostituisce 4 zeri consecutivi con la
sequenza
[DA] Tecniche di modulazione
codifica i dati digitali
000V
B00V
La modulazione opera su uno dei parametri
La scelta viene fatta per fare in modo che la
caratteristici del segnale analogico
ampiezza
(ASK, amplitude-shift keying)
frequenza
(FSK, Frequency-shift keying)
fase
(PSK, phase-shift keying)
polarità della violazione finale sia “invertita” ad
ogni utilizzo:
Se l’ultima violazione era una tensione positiva la
successiva sarà con tensione negativa
Se l’ultima violazione era una tensione negativa la
successiva sarà con tensione positiva
[DD] B8ZS and HDB3
Autunno 2004
[DA] Amplitude Shift Keying
26
TEORIA (Lez. 1)
Autunno 2004
29
TEORIA (Lez. 1)
Valori rappresentati da ampiezze diverse
Ampiezza nulla per lo 0
Ampiezza massima per l’1
Autunno 2004
[DA] Dati digitali e segnali analogici
0101
Modulatore
Canale
Autunno 2004
27
TEORIA (Lez. 1)
Demodulatore 0101
[DA] Frequency Shift Keying
30
TEORIA (Lez. 1)
Valori rappresentati da due frequenze diverse
Più affidabile di ASK
LAN su cavo coassiale
Utilizzato per trasmettere dati digitali sulla rete
telefonica pubblica
Progettata per gestire segnali analogici nella banda
da 300Hz a 3400Hz
Conversione eseguita da un modem
Producono segnali all’interno dell’intervallo di
frequenze che possono essere trasmesse
Le tecniche di codifica valgono in generale (cioè per
qualsiasi intervallo di frequenze)
5
FSK su linee Voice Grade
Autunno 2004
Autunno 2004
31
TEORIA (Lez. 1)
[AD] Teorema del campionamento
34
TEORIA (Lez. 1)
Per ricostruire completamente un segnale è
sufficiente campionarlo ad un tasso pari ad
almeno due volte la frequenza massima
Se un segnale ha frequenza f = 10 Hz, basta
campionarlo 20 volte al secondo per poter
ricostruire il segnale dai campioni
La voce umana occupa le frequenze al di
Per ottenere trasmissioni full-duplex la banda viene
sotto di 4000Hz
bastano 8000 campioni al secondo
spezzata in due
La sovrapposizione tra le due bande crea interferenze
[DA] Phase Shift Keying
Autunno 2004
32
TEORIA (Lez. 1)
[AD] Pulse Code Modulation
Autunno 2004
35
TEORIA (Lez. 1)
ogni campione è un segnale analogico (Pulse
Code Modulation, PCM)
ad ogni campione viene assegnato un valore
digitale (quantizzazione)
la quantizzazione introduce approssimazione nella
ricostruzione del segnale
più sono i livelli di quantizzazione e migliore è
l'approssimazione del segnale
Valori rappresentati modificando la fase del segnale
PSK differenziale
Fase cambia in funzione del bit precedente
Autunno 2004
[AD] Dati analogici e segnali digitali
Codificatore
Canale
33
TEORIA (Lez. 1)
[AD] Pulse Code Modulation
Autunno 2004
36
TEORIA (Lez. 1)
Decodificatore
Per trasmettere dati analogici con segnali
digitali
Convertire i dati analogici in dati digitali
Trasmettere i dati digitali
Digitalizzazione
Processo di conversione di dati analogici in dati
digitali
Eseguito da un codec (codificatore/decodificatore)
Tecniche di digitalizzazione
Pulse code modulation
Delta modulation
In questo caso potremmo usare 15 livelli di
quantizzazione per rappresentare valori da 0 a 1.5
6
[AD] Codifica non lineare
Autunno 2004
Autunno 2004
40
[AA] Dati analogici e segnali analogici
TEORIA (Lez. 1)
37
TEORIA (Lez. 1)
Livelli di quantizzazione non equamente spaziati
Modulatore
Più livelli di quantizzazione per segnali a bassa ampiezza
Riduce la distorsione complessiva
Canale
Demodulatore
Perchè modulare segnali analogici?
Permette di aumentare la frequenza ed ottenere una
trasmissione più efficiente
Permette di dividere il canale in sottocanali
indipendenti (FDM)
Tipi di modulazione
Ampiezza
Frequenza
Fase
[AD] Delta Modulation
(AM, Amplitude Modulation)
(FM, Frequency Modulation)
(PM, Phase Modulation)
Autunno 2004
38
TEORIA (Lez. 1)
[AA] Esempi
Autunno 2004
Interfacce
Autunno 2004
41
TEORIA (Lez. 1)
Il segnale analogico è approssimato da una
funzione a scalini
ad ogni intervallo di campionamento la
funzione si sposta di δ in su o in giù
[AD] Prestazioni
Autunno 2004
Riproduzione della voce con PCM
Assumiamo 128 levelli (7 bit)
Larghezza di banda della voce 4kHz, quindi
servono 8000 campioni al secondo
Tasso di trasmissione 8000 x 7 = 56kbps
Usando Nyquest, serve una larghezza di banda di
28kHz
Da 4kHz ce ne servono 28kHz
I vantaggi della trasmissione digitale fanno
accettare l'aumento di banda del segnale
La compressione dati può migliorare il
rapporto tra larghezza di banda del
messaggio originale e del messaggio
codificato
39
TEORIA (Lez. 1)
42
TEORIA (Lez. 1)
Finora ci siamo occupati della trasmissione dei
dati
Segnali, mezzi trasmissivi, codifica
Un aspetto importante non ancora trattato è
l’interfacciamento fra il mezzo trasmissivo ed i
dispositivi ad esso collegati
Per poter scambiare dati tramite un mezzo
trasmissivo occorre un alto livello di
collaborazione
Bit trasmessi uno alla volta
Bisogna sapere e sincronizzarsi su
Velocità di trasmissione
Durata dei singoli bit
Spaziatura fra i bit
7
Autunno 2004
Interfacce
Tali problemi sono risolti da un’interfaccia
altro al cavo di rete Ethernet
Quando non c’è nulla da trasmettere il
trasmettitore emette il bit 1: stato inattivo
Quindi un segnale con tensione costante pari al bit
Due tecniche
Asincrona
Sincrona
1 indica assenza di trasmissione
La scelta dei nomi è poco felice perché il problema
fondamentale è la sincronizzazione, quindi entrambe le
tecniche creano sincronia fra trasmittente e ricevente
Per iniziare a trasmettere un carattere si
trasmette prima uno 0
Lo 0 da la possibilità al ricevitore di “sincronizzarsi”
Il ricevitore sa che i il gruppo di 8 bit successivo fa
L’interfaccia legge il segnale sul mezzo
trasmissivo e interpreta tale segnale come una
sequenza di bit
parte del carattere trasmesso
Autunno 2004
Segnali e bit
Bit di stop: si ritorna nello stato inattivo, trasmettendo
un bit 1 la cui durata è almeno pari ad una soglia
minima
Tipicamente due volte la durata di un normale bit
Poiché il bit di stop è lo stesso dello stato inattivo, il
Più elementi unitari del segnale
Es. codifica Manchester
Es. codifiche NRZ
Es. segnali multilivello, codificano più bit
47
TEORIA (Lez. 1)
viene trasmesso un bit di parità
In generale un bit può corrispondere
Autunno 2004
Vengono trasmessi gli 8 bit, ed alla fine degli 8 bit
Ricevente riceve il segnale
Trasmissione asincrona
44
TEORIA (Lez. 1)
Trasmittente genera un segnale
46
TEORIA (Lez. 1)
Ogni gruppo rappresenta un “carattere”
Es. codice EBCDIC, 8 bit
trasmissivo
Es. Interfaccia di rete Ethernet, connette un PC o
Autunno 2004
Trasmette i bit in gruppi di 5-8 bit
Dispositivo fisico che connette il nodo al mezzo
Trasmissione asincrona
43
TEORIA (Lez. 1)
Ad un elemento del segnale
trasmettitore continuerà a trasmetterlo fino al prossimo
carattere
Una frazione di elemento del segnale
Per semplicità assumiamo 1 elemento = 1 bit
Non cambia molto per quanto riguarda la sincronizzazione
Trasmittente
I
I
Ricevente
(slide animata)
Ricezione del segnale
Autunno 2004
Clock skew
45
TEORIA (Lez. 1)
Quando il ricevente riceve il segnale deve
interpretarlo
Vengono fatti dei campionamenti
Autunno 2004
48
TEORIA (Lez. 1)
Se i due clock non sono sincronizzati ci possono essere
errori
La sorgente ha un clock che governa la
temporizzazione dei bit trasmessi
1 Mbps ⇒ 1 bit per ogni microsecondo
Ogni microsecondo è un slot temporale per la
trasmissione di un singolo bit
Il ricevitore campiona alla stessa velocità
Il tutto funziona se trasmittente e ricevente
sono sincronizzati
Il vantaggio di questo metodo è che il clock del
ricevitore si può sincronizzare ad ogni carattere
Svantaggio: si introduce molta ridondanza
2 bit ogni 10 non rappresentano dati, servono solo per la
sincronizzazione
Ridondanza del 20%
8
Trasmissione sincrona
Autunno 2004
Esempio d’uso
49
TEORIA (Lez. 1)
52
TEORIA (Lez. 1)
03: Received data
06: DCE Ready
08: Rec’d line signal
detector
I dati vengono spediti in blocchi di grandezza arbitraria
Autunno 2004
Riduce la ridondanza
Ovviamente occorre sincronizzare in qualche altro
modo
Si usano dei bit, tipicamente 8, di sincronizzazione all’inizio
(preambolo) ed alla fine del blocco (postambolo)
Inoltre ci sono dei bit di controllo
HDLC: 48 bit fra controllo, preambolo e postambolo
Ridondanza
Per un blocco dati di 1000 byte la ridondanza è di 48/8000=
0.6%
Esempio di interfaccia
Autunno 2004
Esempio d’uso
50
TEORIA (Lez. 1)
V.24/EIA-232-F (nota anche come RS-232)
segnale elettrico
Voltaggi +3V: bit di valore 0
-3V: bit di valore 1 (quindi un NRZ-L)
02:
06:
20:
22:
Autunno 2004
Trasmitted data
DCE Ready
DTE Ready
Ring indicator
53
TEORIA (Lez. 1)
02: Trasmitted data
03: Received data
04: Request to send /
Ready to receive
05: Clear to Send
Usa un cavo con 25 pin, ognuno dei quali porta un
Esempio d’uso
Autunno 2004
Riepilogo
51
TEORIA (Lez. 1)
Autunno 2004
54
TEORIA (Lez. 1)
Dati e segnali: Trasformazione analogicodigitale
Digitale-digitale
Codici e codifiche
Digitale-analogico
Tecniche di modulazione
Analogico-digitale
Compinamento
Analogico-analogico
Trasformazione
Interfacce
Riferimento: Stallings, Capitoli 5 e 6
9
